制造人造肌肉的材料

自20世纪60年代中期以来，Bar-Cohen一直是不断变化的国际EAP研究人员的非正式协调员。回到它的初期，“我在科学论文中读到的电活性聚合物材料并不像广告中宣传的那样神奇，”他回忆道，狡黠地笑着。“当我从美国国家航空航天局获得资金来研究这项技术时，我必须找出谁在这个领域工作，以便从中找到一些灵感。”短短几年时间，Bar-Cohen已经掌握了足够的知识，帮助举办了第一次关于这一主题的科技研讨会，开始出版EAP简讯，出版了EAP网站，并就这一新兴技术撰写了两部作品。

在喷气推进实验室(JPL)院子里的一栋低矮的研究大楼里，测试台上摆满了各种各样的致动设备和测试装置的原型，巴-科恩开始回顾这个他早已熟知的领域的历史。他说:“长期以来，人们一直在寻找不用电动机来移动物体的方法，因为电动机对于许多应用来说太笨重了。在EPAs出现之前，电机的标准替代技术是压电陶瓷，这一度是研究的热点。”

在压电材料中，机械应力会导致晶体极化，反之亦然。用电流刺激这种材料会使它变形；电可以通过改变其形状来产生。巴-科恩从一个实验台上拿起一个浅灰色的小平板，说道:“这个平板是由PZT(锆钛酸铅)制成的。”他向我们解释说，电流使压电PZT收缩或膨胀，振幅不到其总长度的1%。变形虽小，但有用。

在隔壁的一个房间里，Bar-Cohen展示了一个由PZT板驱动的一英尺长的冲击钻机，这是他与JPL的同事和Cybersonics的工程师一起开发的。他说:“这个圆筒里是一堆压电板。当交流电激活时，这堆板会以超音速拍打钻头，钻头会高速上下跳动，从而钻入坚硬的岩石。”另一边是成堆的石头，被钻了很深的洞。

作为一个例子，钻头显示了用压电陶瓷制作致动器的有效性，这真是令人印象深刻。然而，在许多应用中，要求电活性材料的膨胀范围超过0.0%。

聚合物液晶材料

聚合物液晶是科学家心目中硅的理想替代品。过去，许多微R&D工作都是在硅材料的基础上进行的。而且越来越多的科学家认为，高分子液晶聚合物的柔韧性比硅好。对液晶聚合物进行精细切割后，处理后的样品对温度变化、紫外线照射等特定外界刺激有相应的响应，也比硅更敏感。而且液晶聚合物的制造成本比硅材料低，加工工艺更简单。

与硅制成的假肢相比，“人造肌肉”更加神奇。20世纪80年代，科学家发现高分子液晶材料的分子在电流的作用下可以变形扭曲，进而导致材料本身收缩弯曲——这与人体肌肉非常相似，于是科学家开始研究如何用高分子液晶材料构建“人造肌肉”。传统机器人除了关节不能自由活动。如果他们有“人造肌肉”，他们的四肢将更加灵活和发达。

尼龙长丝材料

尼龙纱线的这一意想不到的功能发表在本周的美国杂志《科学》上，这项研究的参与者是在达拉斯德克萨斯大学工作的巴西科学家。

这项研究由罗伊·鲍曼(Roy Baughman)领导，他是在该领域对世界做出最大贡献的科学家之一。与此同时，另外两位科学家M？尼卡·容格·德安德拉德和马尔乔·利马在美国相关机构完成博士后课程后加入了这项新的研究。

研究表明，制造人造肌肉材料最重要的特点是，这种材料具有储存大量能量的能力，同时以同样的方式保持肌肉活动。

另一个重要的指标是这种材料的可逆性。因为研究表明，除非一种材料经过上千次的能量储存和释放后不丧失其性能，否则无法维持其维持肌肉活动的强收缩性。

在克服这一困难的过程中，科学家们实际上已经使用了许多材料进行人工肌肉实验。起初，科学家利用碳纳米管进行人造肌肉实验。他们将材料加热，像真正的肌肉一样举起重物，但很多实验材料的实验结果并不理想。

马尔乔·利马(Márcio Lima)向记者解释说，解决这一谜题的关键在于，研究人员发现某些纤维材料的热膨胀系数为负值，这相当于在加热和冷却材料的过程中，只要很好地控制和应用材料的温度变化，就可以在材料的运动过程中精确地保持材料的可逆性。

他说:“我们发现将纤维缠绕在一起形成弹簧或线圈形状可以放大使用效果。之后我们实验了很多更便宜的纤维材料，取得了不错的效果。尼龙丝就是其中之一。”

这种材料最大的优势在于价格低廉，因为这种尼龙丝每斤只要15雷亚尔。而且在实验中，这种尼龙丝制成的人工肌肉在100摄氏度的温度变化中，承重效果比人体肌肉强84倍。

未来，这项新技术可能会应用于机器人制造、生物医学工程(如制造承重性能强的假肢等。)，甚至在纺织行业。比如在严寒酷暑天气，可以打开或关闭衣服上这种尼龙技术制成的“透气孔”，达到调节温度的目的。

高分子材料

SRI团队的领导者罗恩·佩琳(Ron Pelrine)说:“在与日本签订了日本微型机器计划合同后，SRI国际从1992开始研究人造肌肉。”他以前是物理学家，后来成了机械工程师。日本官员正在寻找一种新的微驱动器技术。几位SRI的研究人员开始寻找一种在力学、冲程(线性位移)和应变(单位长度或单位面积的位移)方面与天然肌肉具有相似特性的致动材料。

“我们看了很多有前景的激活技术，”Pelrine回忆道。然而，他们最终选择了电致伸缩。

聚合物，来自罗格斯大学的杰瑞·舍因贝姆当时正在研究这种材料。这种聚合物中的碳氢化合物分子排列成半晶格，这种晶体阵列具有类似压电的特性。

当处于电场中时，所有绝缘塑料(如聚氨酯)都会在电力线方向收缩，在垂直于电力线的方向膨胀。这种现象不同于电致伸缩，称为麦克斯韦应力。Pelrine说:“这种现象早已为人所知，但一直被认为是一种非常麻烦的效应。”

他意识到比聚氨酯更软的聚合物在静电引力下更容易挤压，因此它们可以提供更大的机械应变。通过测试软硅树脂，SRI的科学家很快证明了它的应变在10-15%之间，非常令人满意。经过进一步研究，这个数字可以提高到20-30%。为了区分这种新的致动器材料，硅树脂和其他更软的材料被命名为电绝缘弹性体(也称为电场激活聚合物)。)

在确定了几种有前途的聚合物材料后，该团队专注于为1990的其余大部分开发特定设备应用的具体细节。当时，SRI研究小组的新外部资金支持和研究方向由国防高级研究计划局(DARPA)和海军研究办公室提供，其主管的主要兴趣是将该技术用于军事目的，包括小型侦察机器人和光发生器。

随着橡胶开始表现出更大的张力，工程师们意识到电极也必须是可膨胀的。普通金属电极除非分体，否则无法延伸。Pelrine提到:“起初，人们不必担心这个问题，因为他们研究的材料提供的应变只有大约1%。”最后，研究小组开发了一种基于在弹性基质中填充碳颗粒的柔性电极。他指出:“由于电极和塑料一起膨胀，它们可以在整个活动区域之间保持一个电场。”SRI国际为这个概念申请了专利，这是后来人工肌肉技术的关键之一。

Pelrine急着给我们看，他拿出了一个15 cm见方的看起来像相框的东西，两边的塑料夹子因为膨胀而紧绷。“看，这种聚合物材料很有延展性，”他说，并把一个手指按进它的透明膜里。“其实就是一种双面胶，一大卷的价格很便宜。”中间夹子的两侧是黑色和镍币大小的电极，电极之间用导线连接。

佩琳拧开电源的控制旋钮。随即，黑色圆形电极对开始膨胀，直径增加了四分之一。当他把旋钮转回到原来的位置时，电极立即收缩到原来的状态。他咧嘴一笑，把操作重复了几遍，解释道:“基本上，我们的设备就是一个电容器，也就是两个平行的充电板，它们之间有电绝缘。当电源接通时，正负电荷分别积聚在相对的电极上。电极板相互吸引，挤压中间的绝缘聚合物，聚合物的面积就扩大了。”虽然已经确定了几种有前途的材料，但在实际设备中实现可接受的性能确实是一个挑战。然而，该小组在1999中取得的一系列突破引起了美国政府和工业界的极大兴趣。

通过观察发现，在电活化之前对高分子材料进行预拉伸，其性能会有很大的提高。团队的另一名成员、工程师罗伊·科恩布鲁(Roy Kornbluh)回忆说:“我们开始注意到有一个甜蜜点，然后我们可以获得最佳性能。没有人知道确切的原因，但预拉伸聚合物可以将击穿强度的电极之间电流通过的电阻增加100倍。”通过电激活增加应变的幅度是相似的。虽然原因尚不清楚，但SRI的化学家佩·冰淇认为:“预拉伸可以沿着平面膨胀方向定位分子链，材料使其在这个方向上更难。”为了获得预拉伸效果，SRI的致动器设备采用了外部支撑结构。

第二个关键发现得益于研究人员“测试我们知道的每一种可扩展材料，我们称之为爱迪生方法，”Pelrine高兴地告诉我们。为了找到一种适合做电灯灯丝的材料，托马斯·爱迪生对各种材料进行了系统的实验。)“在我家，为了防止我蹒跚学步的孩子到处拿东西，我们用高分子材料制成的门锁锁住冰箱。随着孩子的长大，我们不再需要锁任何东西，所以我们把锁拿走了。由于它是由可延伸的材料制成，我决定测试它的应变性能。令人惊讶的是，它的性能非常出色。”追踪锁的来源并分析其构成并不困难。最后，这种神秘的聚合物“竟然是聚丙烯酸橡胶，可以提供很大的应变和能量输出，线性应变高达380%。”这两项发展使我们能够开始将电绝缘橡胶应用于实际的致动器设备。”研究员说。

天然橡胶材料

SRI组的一般研究方法比较灵活，包括很多设计，甚至不同的聚合物。正如佩冰淇所说:“这是一件设备，而不是一块材料。”根据Pelrine的说法，该团队能够用不同的聚合物产生激活效果，包括丙烯酸树脂和硅树脂。即使是天然橡胶也能有一定的效果。比如在外部空间的极端温度环境下，人工肌肉最好使用硅胶塑料，已经证明这种材料可以在-100摄氏度的真空环境下工作。对于需要更大输出力的应用，可能需要更多的聚合物材料，或者可以串联或并联多个装置。

SRI的成员冯·古根贝格(Von Guggenberg)估计:“由于电绝缘橡胶可以在库存中买到，而我们在每个设备中最多只使用几平方英尺的材料，因此致动器将非常便宜，特别是对于大规模生产来说。”

用于激活电绝缘橡胶执行机构的电压相对较高，通常为1至5 kV，因此该装置可以在非常低的电流下工作(一般来说，高电压意味着低电流)。致动器还可以使用更细且更便宜的导线，并且可以保持相对较冷。Pelrine说:“当电场停止，电流流过缝隙时，更高的电压会产生更大的膨胀和应力。”

更大的问题是移动设备用的是高电压，因为电池通常是低电压，所以需要额外的变压器线圈。此外，在宾夕法尼亚州立大学，张启明和他的团队一直试图通过将一些电致伸缩聚合物与其他物质结合形成化合物来降低它们的激活电压。当被问及电绝缘橡胶的耐用性时，冯·古根贝格承认需要更多的研究，并确认了一个“合理的迹象”，即他们应该继续工作足够长的时间，以实现商业使用。“例如，我们为一个客户运行的设备可以产生5-10%的应变，循环10万次。”另一种设备可以产生50%的面积应变，循环次数为1万次。尽管人造肌肉设备比相应的电动马达轻得多(聚合物本身的密度与水相近)，SRI仍在努力通过减少必要的外部预应变设备来减轻其质量。2004年5月27日，日本横滨国立大学渡边正芳教授领导的研究小组开发出一种新型人工肌肉，可以用干电池驱动，非常适用于微型机器和小型机器人的关节。这种人造肌肉的形状像口香糖，长约5厘米，宽1厘米，厚数百微米。它由一种随电压变化而膨胀和收缩的高分子材料和一种不挥发的离子液体制成，在正常环境下可以长时间使用。如果将这种人工肌肉安装在微型机器的关节和驱动部件中，就可以像人体关节一样发挥作用。